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AVALIAÇÃO LABORATORIAL DA CAPACIDADE DE
TRANSFERÊNCIA DE OXIGÊNIO DE DIFUSORES DE AR
UTILIZADOS NOS TANQUES DE AERAÇÃO DA ESTAÇÃO DE
TRATAMENTO DE ESGOTOS DO ABC NA REGIÃO
METROPOLITANA DE SÃO PAULO
Wolney Alves(1)
Engenheiro Civil e Sanitarista pela Escola Politécnica da USP, MPhil e PhD
pela Heriot-Watt University, Edimburgo, Escócia; pesquisador da área de
saneamento do Agrupamento de Instalações e Segurança ao Fogo da
Divisão de Engenharia Civil do Instituto de Pesquisas Tecnológicas do
Estado de São Paulo - IPT.
Luis Carlos Urenha
Engenheiro Químico, Mestre em Engenharia pela Escola Politécnica da USP
e doutorando pela mesma Escola; pesquisador na área de tecnologia de
processos fermentativos e reatores bioquímicos do Agrupamento de Biotecnologia do Instituto
de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo - IPT.
Marisa de Oliveira Guimarães
Engenheira Civil pela Universidade Federal do Paraná com pós-graduação na Escola
Politécnica da USP. Gerente do Departamento de Desenvolvimento da Operação da VicePresidência de Produção da RMSP da Sabesp, Companhia de Saneamento Básico do Estado
de São Paulo.
Pedro Eduardo Almeida Giusti
Engenheiro Químico pela Escola de Engenharia da Universidade Mackenzie. Engenheiro do
Departamento de Desenvolvimento da Operação da Vice-Presidência de Produção da RMSP
da Sabesp, Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo.
Endereço(1): Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo S.A. - IPT,
DEC/AISF - Cidade Universitária Armando de Salles Oliveira - Butantã - São Paulo - SP - CEP: 05508-901 - Brasil - Tel: (011) 268-2211 - r.671 - Fax: (011) 268-6890 - e-mail:
[email protected].
RESUMO
Nesta comunicação técnica é descrita a metodologia para avaliação de difusores de ar quanto a
sua capacidade de transferência de oxigênio para o meio líquido dos tanques. O método
empregado é o do sulfito em estado estacionário.
PALAVRAS -CHAVE: Difusores de Ar, Oxigênio Dissolvido, Transferência de Oxigênio,
Aeração, Sulfito.
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INTRODUÇÃO
A estação de tratamento de esgotos (ETE) do ABC, situada na Região Metropolitana de São
Paulo, tem seu início de operação previsto para 1998. Trata-se de uma ETE cujo módulo inicial
tem capacidade de tratamento de 3 m3/s pelo processo de lodos ativados. Este módulo é
composto de 4 tanques de aeração, cada um medindo 115 m de comprimento, 26 m de largura
e 7 m de profundidade total.
A aeração em cada um dos tanques se dá através de 7122 difusores de bolha fina. Os
difusores, do tipo domo, são da marca Norton, de 17,8 cm de diâmetro, fabricados em alumina
cristalina fundida (óxido de alumínio) com um material cerâmico aglomerante apropriado.
A ETE encontra-se em fase final de montagem. Durante um longo período de construção,
paralisações de obras e testes preliminares de funcionamento (aproximadamente 15 anos), os
difusores foram submetidos a diferentes condições de uso e exposição. Tal circunstância exigiu
que, para a entrada em funcionamento em 1998, os difusores viessem a ser caracterizados
quanto à sua atual capacidade de transferência de oxigênio, dadas as possibilidades de
alteração de seu comportamento. A necessidade da verificação se tornou patente na medida em
que eram desconhecidas as modificações sofridas pelos difusores em situações de utilização que
incluíam testes intermitentes de funcionamento com esgoto, submersão sob água estagnada,
exposição ao pó e outros agentes naturais em condições de estocagem inadequada, etc.
Para certificar-se de que estes difusores serão capazes de atender à demanda de oxigênio
prevista para a operação plena da ETE, foi adaptada a metodologia apresentada por Imai et al.
(1987) para avaliação laboratorial de transferência de oxigênio em água limpa. No trabalho aqui
exposto, o coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio (k La) de difusores novos é
comparado com o de difusores expostos a diferentes situações de uso.
METODOLOGIA
O método mais utilizado para avaliação da capacidade de transferência de oxigênio de difusores
e outros sistemas de transferência é o do sulfito. Neste método, padronizado pela American
Society of Civil Engineers, adiciona-se sulfito de sódio à água presente no tanque de testes. O
sulfito reage com o oxigênio dissolvido presente gerando sulfato de sódio e consumindo
oxigênio.
Segundo o método da ASCE, partindo-se de uma condição de água limpa saturada com
oxigênio dissolvido, adiciona-se uma quantidade de sulfito suficiente para consumir todo o
oxigênio dissolvido presente. A seguir, inicia-se o fornecimento de oxigênio ao sistema através
de aeração promovida pelos difusores. A variação da concentração de oxigênio dissolvido no
líquido é monitorada através de sensores. Após algum tempo, a concentração de oxigênio volta
ao seu valor inicial, próximo da saturação. Os dados obtidos na recuperação do oxigênio
permitem traçar uma curva de variação de concentração. A partir desta curva e em função da
vazão de ar fornecida e demais condições de operação (temperatura e pressão), avalia -se a
capacidade de transferência de oxigênio do sistema. Este método apresenta como desvantagem
o fato de utilizar grande quantidade de sulfito, o que vai gerar Consequentemente grande
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quantidade de sulfato. O sulfato presente altera o comportamento físico-químico na formação
das bolhas de ar, interferindo na tensão superficial e na capacidade de transferência. Desta
forma, cada repetição do experimento deve ser feita com a substituição da água presente por
água limpa. Isto inviabiliza o uso extensivo deste método em bancadas de teste quando se
empregam volumes muito grandes, como é o presente caso.
Um segundo método, muito utilizado em laboratório, emprega nitrogênio gasoso para eliminar o
oxigênio dissolvido no líquido. Ao submeter um determinado volume de água a uma corrente de
nitrogênio gasoso, o oxigênio dissolvido na água difunde-se para dentro das bolhas de
nitrogênio, sendo arrastado com estas. Desta maneira pode-se eliminar o oxigênio dissolvido,
sem reações químicas e sem deixar resíduos iônicos na água. Quando os sensores acoplados ao
sistema indicam que todo o oxigênio foi removido, interrompe-se a alimentação de nitrogênio e
inicia-se a alimentação de ar. A curva de variação de concentração de oxigênio dissolvido que
se segue é utilizada para calcular a eficiência do sistema de aeração, da mesma maneira que no
método do sulfito anteriormente exposto. A utilização deste método em larga escala é inviável
devido ao grande volume de nitrogênio necessário, que torna o método por demais oneroso.
Na avaliação dos difusores aqui em questão, o método do nitrogênio chegou a ser
preliminarmente considerado trabalhando-se com a hipótese de ensaios em pequenos tanques
de água. No entanto, conforme destaca a literatura, a avaliação de difusores empregados em
estações de tratamento de esgoto deve ser feita em condições que reproduzam, tanto quanto
possível, a real situação de utilização. Têm especial importância o posicionamento relativo dos
difusores, a coluna d’água sobre os mesmos, as faixas de vazão de ar previstas, a proximidade
de paredes, entre outros fatores. Estas condições afastaram a possibilidade do uso do método
de ensaio usando nitrogênio, de uma vez que o volume de água do tanque de ensaios levaria a
uma grande demanda do gás.
Optou-se, finalmente, pela variação do método do sulfito, proposta por Imai et al. (1987) que
trabalha em estado estacionário enquanto os métodos anteriores utilizam transiente, consome
pouco sulfito (gerando portanto pouco sulfato) e não demanda troca freqüente da água do
tanque de testes. O método de Imai foi concebido originalmente para ser utilizado em tanques
de grande volume, coincidindo com a necessidade do presente caso.
Neste método utiliza-se uma solução de sulfito de sódio de concentração C BF que alimenta, sob
vazão constante Q, um tanque cilíndrico contendo um volume constante VL de água. Os
difusores são instalados no interior do tanque de ensaios respeitando, tanto quanto possível, o
distanciamento relativo entre os mesmos na situação real dos tanques de aeração. Cada um dos
difusores do grupo sob medição é submetido à mesma pressão de ar, mantida constante no
decorrer do ensaio. Tendo em vista o propósito comparativo dos resultados, submete-se todos
os grupos de difusores à mesma pressão de ar.
O sulfito de sódio que alimenta continuamente o tanque é homogeneamente distribuído pela
massa líquida, reagindo com o oxigênio dissolvido na água no interior do tanque. A reação se
dá na presença de íons de cobalto agindo como catalisador e gera sulfato de sódio. Para uma
situação estacionária, os sensores de OD indicarão uma concentração constante de oxigênio
dissolvido, menor que 100%. Nessa situação, o coeficiente volumétrico de transferência de
oxigênio, kLa pode ser calculado pela equação:
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Q*( (CBF - CBs) - ( CAF - C As ) )
k La =
2*VL*C Ai*( 1 - CAs/CAi )
onde CBs é a concentração residual de sulfito no tanque, CAs é a concentração de oxigênio
dissolvido no estado estacionário, CAF é a concentração de oxigênio dissolvido na solução de
alimentação de sulfito e CAi é a concentração de equilíbrio do oxigênio na interface gás-líquido.
Calculado o valor de kLa para os difusores novos ou preservados em embalagens bem
protegidas, é possível, por comparação, avaliar o comportamento dos demais difusores através
dos respectivos kLa, segundo cada tipo de exposição e uso a que foram submetidos.
BANCADA DE ENSAIOS E PROCEDIMENTO
O esquema geral da bancada de ensaios de difusores é apresentado na Figura 1. A bancada,
montada no IPT, foi concebida para permitir o emprego do método de ensaio adotado,
conforme descrição anterior.
Os tanques de aeração da ETE ABC têm altura total de 7 m. Sob operação a altura da lâmina
que vai do topo dos difusores ao nível de extravasão é de 5,62 m.
O tanque de ensaios tem 2,5 m de diâmetro e 6 m de altura total. A aeração da água limpa é
produzida pelos difusores instalados em pratos-suporte no fundo do tanque de ensaios. A
lâmina sobre o nível do topo dos difusores atinge aproximadamente o mesmo valor observado
nos tanques de aeração.
Na extremidade inferior do tanque um tubo dotado de registro permite o esgotamento. Na
extremidade oposta acha-se instalada uma grua giratória dotada de roldanas e sarilho para
elevação do conjunto de difusores. Ao lado do tanque de ensaios, andaimes tubulares dotados
de plataformas de trabalho permitem o manuseio dos difusores e dos sensores de OD.
O dispositivo destinado à instalação dos difusores é constituído de 12 pratos-suporte de PVC
aos quais são fixados os difusores através de parafusos.
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N2
Sulfito
de sódio
med.
vazão
vrp
Compressor
Bomba
peristáltica
OD
%
OD
%
Figura 1 - Bancada de ensaios de difusores.
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Concebido e construído especificamente para esse fim, o dispositivo permite a distribuição do
ar sob a mesma pressão em todos os difusores. O número de difusores e o distanciamento
relativo entre os mesmos foi estabelecido com base na densidade e posicionamento de difusores
dos tanques de aeração da ETE. O conjunto de difusores submetido a ensaio é introduzido no
tanque através da abertura superior. O equipamento especialmente projetado e construído para
o manuseio do conjunto, permite fácil operação de colocação e retirada dos difusores a partir
de plataforma de trabalho montada ao nível da abertura do tanque.
O ar é provido por compressor, sendo a pressão na linha controlada através de válvula
reguladora, ajustável. A vazão de ar é medida através de medidor de referência utilizado pela
Laboratório de Vazão do IPT para aferição de medidores de gás. Um manômetro a jusante do
medidor de vazão permite verificar a manutenção do valor da pressão estabelecida para os
ensaios.
O registro de oxigênio dissolvido (OD) no líquido é feito de maneira contínua a partir de dois
sensores localizados no eixo do tanque a 1/3 e 2/3 da altura da coluna aerada. Os sensores
transmitem sinais elétricos ao painel digital permitindo acompanhamento constante da evolução
do parâmetro.
A hipótese inicialmente assumida de que a fase líquida no interior do tanque fosse homogênea
quanto ao valor do oxigênio dissolvido, comprovou-se em boa medida uma vez que os dois
sensores de oxigênio dissolvido indicam o mesmo valor de OD após decorrido um período
inicial quando o sistema se estabiliza.
A solução de sulfito de sódio é preparada antecipadamente aos ensaios e armazenada em
tanque hermético. Este tanque é mantido sem oxigênio mediante a adição constante de
nitrogênio no espaço sobre a superfície do sulfito. A solução é bombeada ao tanque de ensaios
utizando-se bomba peristáltica.
A adição da pequena vazão de solução de sulfito de sódio é compensada em termos de volume
pela presença do extravasor no tanque de ensaios conforme mostra a Figura 1.
A concentração de sulfito residual no interior do tanque é avaliada a partir da titulação da
amostra retirada do tanque em cada ensaio realizado.
Utilizou-se nos ensaios a mesma vazão de ar prevista no projeto da ETE (3,5 m3/h por difusor)
sob a condição de altura de lâmina d’água antes descrita. Assim, a vazão total para cada
conjunto de 12 difusores sob ensaio é de 42 m3/h. No entanto, há que destacar, que o critério
básico para o ensaio comparativo é a manutenção da pressão constante para todos os
conjuntos ensaiados.
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AMOSTRA A SER ENSAIADA
A amostra ensaiada foi definida com base em dois conjuntos de informações e critérios. Em
primeiro lugar, considerou-se o conjunto de informações disponíveis sobre as condições de uso,
exposição e instalação dos difusores instalados e estocados na ETE ABC. Em segundo lugar,
adotaram-se os critérios de amostragem da normalização brasileira aplicável.
O tamanho da amostra de difusores foi determinado com base na norma brasileira NBR
5429/1985 - “Planos de amostragem e procedimentos na inspeção por variáveis”.
Foram identificados três tipos básicos de situação de instalação ou exposição dos difusores:
a) difusores instalados nos tanques de aeração;
b) difusores estocados e preservados através de embalagens (caixas de
papelão); e
c) difusores estocados em pilhas ao ar livre, sem proteção e sujeitos a
intempéries.
Com base na referida norma um total de 93 conjuntos de 12 difusores cada foi coletado para
ensaios laboratoriais.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A Figura 2 apresenta uma curva de saturação da água do tanque. Para construção dessa curva,
adicionou-se continuamente a solução de sulfito de sódio ao tanque, até que a concentração de
oxigênio dissolvido fosse a mais próxima possível de zero. Para garantir a dispersão do sulfito
no tanque, este foi aerado continuamente. Quando a concentração se manteve por alguns
minutos próxima a zero, cortou-se a alimentação de sulfito, iniciando-se a curva de saturação.
Pode-se verificar na Figura 2 que a concentração de oxigênio dissolvido na parte superior do
tanque não se estabiliza em valores baixos. A razão disto é a difusão de oxigênio a partir da
atmosfera, já que o tanque é aberto no topo para simular um tanque de estação de tratamento.
A Figura 3 apresenta a variação da concentração de oxigênio dissolvido durante um ensaio dos
difusores. Nota -se que a estabilização desta concentração se dá após cerca de 15 minutos,
indicando o estado estacionário.
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CONCENTRAÇÃO DE OXIGÊNIO
DISSOLVIDO (%)
CURVA DE SATURAÇÃO
100.0
80.0
60.0
TOPO
FUNDO
40.0
20.0
0.0
0
20
40
60
80
TEMPO (minutos)
Figura 2 - Curva de saturação da água do tanque.
CONC. DE OXIGÊNIO
DISSOLVIDO (%)
CURVA DE TESTE DE DIFUSORES
100
90
TOPO
FUNDO
80
70
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
TEMPO (minutos)
Figura 3 - Curva de teste de difusores.
Os resultados de caracterização do desempenho dos difusores encontra-se em curso. Até o
presente momento estão disponíveis apenas os resultados apresentados na Tabela 1 a seguir.
Os valores de kLa se referem a amostra composta de 12 difusores.
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Tabela 1 - Coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio e variação percentual
com relação a difusores novos.
Situação dos difusores quanto à
instalação ou exposição
Difusores estocados em pilhas
Difusores instalados no tanque 1
Difusores instalados no tanque 2
No de
amostras
ensaiadas
3
3
3
kLa
médio (h-1)
da amostra
22
17
19
Variação
percentual
0%
- 23 %
- 14 %
Os ensaios ora em curso mostram variação de desempenho entre difusores novos e aqueles
instalados. De fato, à pressão de serviço fixada para os ensaios, independente da origem dos
difusores, observa -se uma pequena variação da vazão de ar. O desvio padrão associado a
cada medição, indicando o erro inerente ao método empregado, está sendo objeto de análise
no momento.
CONCLUSÕES
O método em utilização tem se mostrado prático, rápido e de baixo custo, tornando simples o
processo de avaliação da capacidade de transferência de difusores de ar de qualquer tipo.
AGRADECIMENTOS
Agradecemos a colaboração dos profissionais Arnaldo Domingos Cremonesi, Régis Norberto
Carvalho, Douglas Messina e Suely Missai Shioya.
BIBLIOGRAFIA
1.
American Society of Civil Engineers. A Standard for the Measurement of Oxygen
Transfer in Clean Water., 1984. ASCE, New York, July, 1984.
2.
Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 5429 - Planos de amostragem e
procedimentos na inspeção por variáveis. Rio de Janeiro, 1985.
3.
Imai, Y., Takei H. et Matsumura, M. A Simple Na2SO3 Feeding Method for kLa
Measurement in Large-Scale Fermentors, Biotechnology and Bioengineering, v. XXIX, pp.
982-993, 1987.
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